Борьба со старением, или Не все мы умрем…

Клетке, как и любому живому существу, необходимы питательные вещества. Она потребляет углеводы для производства энергии, белки – для построения своих белков, размножения, регулирования внутриклеточных процессов, производства энергии и жиры – для производства и накопления энергии и строительства своей мембраны, некоторых гормонов и органелл. При этом для потребления клеткой белки, жиры и углеводы необходимо специальным образом приготовить. Это делают клетки органов пищеварения.

Все углеводы состоят из отдельных «единиц», которые называются сахариды (глюкозоподобные молекулы). Они делятся на две группы: простые и сложные. Углеводы, содержащие один сахарид, называются моносахариды (глюкоза, фруктоза), два – дисахариды (лактоза – молочный сахар, сахароза – тростниковый сахар), больше двух – полисахариды (крахмал, целлюлоза)[18 - Общая формула углеводов – C

(H

O)

. То есть n молекул углерода и m молекул воды. Отсюда название «углеводы» – «угле-» (углерод) и вода.].

Клетки потребляют глюкозу, поэтому цель переваривания углеводов – превращение углеводов в глюкозу. Это превращение начинается во рту под действием ферментов слюны и продолжается под действием ферментов, выделяемых клетками поджелудочной железы, в двенадцатиперстной кишке и тонком кишечнике. В конечном счете все углеводы превращаются в глюкозу, которая всасывается в кровь из тонкого кишечника.

В переваривании углеводов ведущую роль играет поджелудочная железа, находящаяся, как следует из ее названия, прямо под желудком. В этой железе имеется около миллиона скоплений бета-клеток, красиво названных островками Лангерганса. Эти клетки производят один из самых известных гормонов[19 - Гормоны (в пер. с греческого «побуждаю») – органические вещества, выделяемые железами и регулирующие различные процессы в организме.] – инсулин, который регулирует углеводный обмен. Мы уже знаем, что клетки любят обмениваться сообщениями и используют для этого сигнальные молекулы. Гормоны тоже своего рода сигнальные молекулы, только эти сигналы вырабатываются в специальных железах и носят характер строгого приказа, которые клетки должны неукоснительно выполнять.

Инсулин передает команду мышечным клеткам открыть специальные проходы в мембране для прохода молекул глюкозы, необходимой для функционирования клетки. Если в крови имеется некоторый избыток глюкозы, инсулин передает команду клеткам печени переработать его в гликоген, который, по существу, представляет собой соединенные в единую молекулу тысячи молекул глюкозы. Если избыток глюкозы всё еще остается в крови, через инсулин передается команда клеткам жира переработать его в жир про запас.

Всем этим довольно сложным процессом руководит мозг. Точнее, расположенная в нем маленькая железа гипоталамус (это название полезно запомнить; «гипо» в переводе с греческого «под», а «таламус» – «камера»). Этот маленький орган руководит практически всеми гормонами в нашем организме.

Если глюкозы в крови не хватает для питания клеток, тот же гипоталамус дает команду на выделение, теперь уже альфа-клетками островков Лангерганса поджелудочной железы, гормона глюкагона (совсем легко запомнить: «гонит глюкозу»), который обеспечивает распад определенной части гликогена, запасенного в печени, и выделение глюкозы в кровь.

Так клетка обеспечивает себе постоянный доступ к глюкозе – основному источнику энергии.

Для строительства своих внутренних органов-органелл, производства ферментов и гормонов, а также, при особой необходимости, для производства энергии клетка нуждается в белках. Как мы знаем, белки – основные элементы жизни. Некоторые читатели могут припомнить слова Энгельса: «Жизнь есть способ существования белковых тел»[20 - Ф. Энгельс, «Диалектика природы».].

Все белки состоят из 20 аминокислот. Они являются теми элементами, из которых строятся все белки, от соединения небольшого количества аминокислот, называемых пептидами, до огромных белковых соединений, содержащих тысячи аминокислот. Важнейшим свойством белков, на основе которого, собственно, и построена жизнь, является их способность соединяться друг с другом, образуя прочную межмолекулярную связь.

Клетке для жизни нужны именно аминокислоты. Нужные ей белки из аминокислот она умеет производить сама. Получить из съедаемых белков аминокислоты, то есть переварить белки, ей помогают другие клетки.

Клетки слизистой желудка производят желудочный сок, содержащий соляную кислоту и ферменты (пепсин и др.). Они расщепляют белки пищи на аминокислоты, которые всасываются в кровь и доставляются к каждой клетке организма.

Жиры (липиды) нужны клетке для строительства и ремонта мембран, некоторых органелл, производства ряда гормонов и энергии. В жире вдвое больше энергии, чем в углеводах и белках (в грамме жира – 9,3 кал, в грамме углеводов и белков – 4 кал).

Жиры состоят из глицерина[21 - Глицерин – трехатомный спирт.] и жирных кислот, которые бывают насыщенные и ненасыщенные[22 - В насыщенных жирных кислотах все связи углерода максимально насыщены атомами водорода, а в ненасыщенных часть связей углерода являются двойными и не насыщены водородом.]. Переваривание жира, то есть его расщепление на глицерин и жирные кислоты в двенадцатиперстной кишке и тонком кишечнике осуществляет фермент (липаза), который производит поджелудочная железа. Для эффективного действия липазы[23 - Окончание «аза» характерно для названий ферментов, например жир – липид, а расщепляющий его фермент – липаза.] жир нужно превратить в эмульсию с очень мелкими каплями. Это делает желчь: смешиваясь с жиром, она образует капельки, к которым легко присоединяется липаза. В дальнейшем жирные кислоты и глицерин используются в клетке для получения энергии. Отходами этого процесса являются углекислый газ и вода.

Клетке, как и человеку, для счастливой жизни необходима комфортная среда. Человеку нужен чистый воздух, чистая вода, доступ к товарам и услугам, которые производят другие люди и предлагают на рынке. Государство обычно берет на себя ответственность за качество окружающей среды, задает правила работы рынка и часто регулирует наиболее жизненно важные рынки. Примерно так же обстоят дела и у клеток. Только роль государства играет мозг, а точнее – всё тот же наш знакомый гипоталамус.

Как мы уже знаем, клетки живут в окружении межклеточной жидкости, матрикса и других клеток. Для клетки очень важно, чтобы межклеточная жидкость имела находящуюся в довольно жестких пределах кислотность и постоянно поддерживаемые строгие балансы ионов натрия, калия, хлора, кальция, железа, магния и других важных для жизнедеятельности веществ. Балансы в крови и связанной с ней межклеточной жидкости поддерживает гипоталамус. Он чутко следит за избытком или недостатком того или иного иона или вещества и запускает гормон, увеличивающий его в случае недостатка, или гормон-антагонист, уменьшающий его в случае избытка. Только что мы описали, как работает гипоталамус при поддержании баланса глюкозы, побуждая клетки поджелудочной железы производить больше инсулина при избытке глюкозы в крови или его антагониста глюкагона при ее недостатке.

Действие каждой пары гормон – антагонист происходит сразу по нескольким направлениям. Например, гормон паращитовидной железы повышает уровень ионов кальция за счет уменьшения скорости образования костей клетками остеоцитами и увеличения скорости их разрушения клетками остеобластами. Гормон-антагонист кальцитонин, синтезируемый клетками щитовидной железы, действует строго в противоположном направлении, поддерживая баланс. Эта же пара гормонов одновременно также регулирует баланс фосфатов в крови.

В некоторых случаях, например при регулировании уровня натрия, действует только один гормон без антагониста. В случае нежелательного снижения концентрации натрия мозг дает надпочечникам команду усилить производство гормона альдостерона, который уменьшает абсорбцию натрия клетками почек, сужает сосуды, повышает давление крови и тем самым повышает концентрацию натрия в крови. В процессе эволюции млекопитающие всегда имели избыток калия, поедая содержащую его растительную пищу, и недостаток натрия. Поэтому эволюционно выработался только один механизм, направленный на повышение концентрации натрия. Именно по этой причине сейчас, при изобилии соли (NaCl) в пище у людей, так распространено повышенное давление. Фактически нам приходится восполнять отсутствие гормона-антагониста лекарствами от гипертензии.

Некоторые особенно точные балансы мозг регулирует, используя вместо гормональных команд гораздо более быстрые нервные сигналы. Так, чрезвычайно точный и важный баланс кислотности крови и межклеточной жидкости, которые должны иметь водородный показатель[24 - Водородный показатель pH показывает, является ли среда кислотной (pH < 7) или щелочной (pH > 7). Средний показатель pH крови здорового человека – 7,42. Это означает, что кровь является слабощелочной. Уровень pH крови и других жидкостей в нашем организме должен колебаться от 7,35 до 7,45.] на уровне 7,4 с точностью до десятых долей процента отклонений, мозг регулирует через нервную систему. В крови имеются специальные буферные системы, которые могут мгновенно поглотить избыток или восполнить недостаток кислотности. При этом буферная система вырабатывает избыточный углекислый газ, и мозг дает команду легким ускорить дыхание и вывести избыток углекислого газа.

Клетка может подвергаться атакам вирусов и бактерий и потому нуждается в защите. Безопасность клетки поддерживается иммунной системой, которая обладает невероятно разнообразным и мощным набором средств уничтожения опасных пришельцев всех видов. В иммунной системе скоординированно работают почти 20 видов клеток, образующих несколько эшелонов защиты клеток и всего организма. Мы отложим увлекательный рассказ об этой удивительной системе до главы 1.3 книги.

А сейчас подведем некоторые итоги этой главы. Это полезно, поскольку, хотя материал и излагается в максимально доступной форме, он всё же довольно сложен и его освоение требует определенных усилий.

1. Человек представляет собой сообщество 40–80 триллионов и более 200 различных видов клеток, внешне и функционально совершенно не похожих друг на друга. Однако все эти клетки имеют один и тот же генетический код, заложенный в ДНК. Различия в клетках возникают из-за различных наборов работающих (экспрессирующих) и неработающих генов, называемых эпигенетическими профилями клетки.

2. Развитие организма проходит путем деления клеток из единственной клетки-зародыша (зиготы). В каждой клетке имеется программа развития всего организма, которая при определенных обстоятельствах на основе внешних и внутренних факторов и показателей дает команду на включение регуляторов, меняющих эпигенетический профиль клетки и превращающий ее на определенном делении в другой тип клетки. Судя по тому, что тело человека соответствует математически точным пропорциям (золотому сечению и рядам Фибоначчи), в этой программе должны быть каким-то, пока неизвестным науке способом заложены основные параметры тела.

3. Клетки человека объединяются в ткани, из которых состоят органы. Основной формирующей тело человека конструкцией служит матрикс, который заполняет клеточное ядро, клетку и межклеточное пространство. Межклеточный матрикс поддерживает клетки, формирует ткани и органы, обеспечивает питание и передачу разнообразных информационных сигналов.

4. Клетка нуждается в пище, кислороде, защите от враждебных вторжений, комфортной окружающей среде (температура, кислотность и т. д.) и выведении отходов жизнедеятельности. Все это предоставляют ей другие клетки. Мозг, воздействуя на нервную и гормональную системы, поддерживает жесткие балансы веществ, необходимых для нормальной жизнедеятельности клетки. При этом баланс часто поддерживается парой гормон-антигормон. Гормон повышает концентрацию определенного вещества, и гормон-антагонист понижает концентрацию этого вещества.

Глава 1.2. Как устроена клетка

Каждая наша клетка – целый мир! В нем всё движется. Постоянно и, на первый взгляд, хаотически с огромной скоростью движутся и сталкиваются миллионы молекул. Всё бурлит. Однако в этом видимом хаосе царит порядок. Всё идет по единому плану, закодированному в бережно хранимой в хорошо защищенном ядре клетки ДНК. Клетка напоминает огромный завод, в котором отдельные органеллы клетки – станки и цеха. Клетка – мир, полный чудес, и в этом разделе мы проникнем в этот чудесный мир.

1.2.1. Совсем немного биофизики и немного биохимии

Не пугайтесь! Мы, как всегда, постараемся рассказать об этих сложных предметах просто и понятно. По моему глубокому убеждению, разобраться в устройстве такой сложнейшей системы, как клетка, без знания фундаментальных основ взаимодействий, происходящих на молекулярном и субмолекулярном уровнях, не удастся.

Физика – это всегда количественное описание объектов и процессов: размеры, время, скорости и т. д. Это, конечно, сложнее, чем словесное описание, но накопленный человечеством опыт показывает, что только так можно познавать мир.

Мы будем по возможности следовать путем, проложенным физикой и другими естественными науками. Начнем с размеров. Для молекул и клетки обычные наши размеры слишком велики. Для них лучше подходят миллиардные доли метра – нанометры[25 - Нанометр (нм) – 10

м. Отсюда название «нано», означающее «девять».]. Помните, еще лет пять назад слово «нано» было очень модным. Сейчас оно подзабылось, но в биофизике клетки нанометры необходимы.

Атомы имеют характерный размер – около десятой доли нанометра. (Размер самого маленького атома водорода, равный 0,1 нм, носит красивое название Ангстрем[26 - Эта единица измерения используется в ядерной физике, для биофизики она маловата.], но это помнить необязательно.) Небольшие химические молекулы имеют размер около 1 нм. А вот органические молекулы, состоящие из множества белков, уже в 10 раз больше – примерно 10 нм. Сама клетка в 1000 раз больше, чем самая большая молекула. Ее размер равен 10–50 тысяч нанометров, или 10–50 микрон[27 - Микрон – 10

м (миллионная часть метра), или микрометр («микро» – «миллионная часть»).].

Рис. 1.2.1. Изменения свойств элементов периодической таблицы

Атомы всех имеющихся в природе химических элементов (всего их 118, элементы с номерами от 93 до 118 получены искусственно в ядерных реакторах) состоят из протонов, нейтронов и электронов. Номера элементов равны числу протонов в ядрах (заряд ядра) или электронов, окружающих ядро.

Современная формулировка Периодического закона: «Свойства химических элементов находятся в периодической зависимости от заряда ядра атомов элементов (порядкового номера)».

На рис. 1.2.1 наглядно показано, что в левой части таблицы находятся металлы, отдающие электроны, и другие доноры-восстановители, а в правой – элементы, принимающие электроны, – акцепторы-окислители[28 - Восстановители и окислители – старые термины, которые не всем легко запомнить. Есть детский стишок, помогающий запомнить, кто есть кто:Восстановитель – это тот,Кто электроны отдает.Сам отдает грабителю,Злодею окислителю!].

Атомы, связываясь с другими атомами, стремятся создать наиболее устойчивые общие электронные оболочки, то есть так объединить свои электроны, чтобы их общая потенциальная энергия была минимальной. Это один из фундаментальных законов природы: всё стремится к состоянию с минимальной потенциальной энергией, и только такое состояние является устойчивым. По современным квантово-механическим представлениям, электроны являются квантовыми объектами, то есть представляют собой не частицы, а размытые множества-облака, в каждой точке которых электрон может пребывать с некоторой вероятностью. Это трудно, а для наших целей не очень-то уж нужно понимать. Будем представлять себе электроны просто как заряженные распределенные объекты типа облаков. Электроны в атоме располагаются на разных уровнях-оболочках. При этом химические свойства элементов зависят только от количества электронов на внешней электронной оболочке.

Несколько электронов, взаимодействуя, образуют причудливые конфигурации, каждая из которых может характеризоваться определенной потенциальной энергией. Мир устроен так, что наиболее устойчивыми являются конфигурации с максимально заполненными внешними электронными оболочками[29 - Полная заполненнность внешней электронной оболочки соответствует инертному газу, например гелию с двумя электронами или неону с восемью электронами.]. Такую конфигурацию имеют инертные газы, и заполненные внешние электронные оболочки придают им устойчивость и, следовательно, инертность, то есть нежелание вступать в какие-либо химические взаимодействия. Все остальные атомы стремятся совместно с другими атомами создать такие же устойчивые, как у инертных газов, электронные оболочки.

Образуя молекулы, атомы элементов притягивают к себе электроны с разной силой, прямо пропорциональной их электроотрицательности[30 - Электроотрициательность – это способность атома притягивать электроны других атомов.]. Металлы имеют электроотрицательность на уровне 1, такие неметаллы, как углерод, сера, бром, водород, и металлы – медь, цинк, железо – электроотрицательность, близкую к 2, такие неметаллы, как фтор и хлор, – на уровне 3 и 4.

Существует несколько типов химических связей между элементами. Все химические связи вызваны одной единственной силой электростатического притяжения, или кулоновской силой. Все связи объясняются перетягиванием электронов от одного атома к другому.

Если молекулу образуют элементы с высокой и низкой электроотрицательностью, например, Na и Cl, то элемент с высокой электроотрицательностью (Cl) перетягивает электрон на свою электронную орбиту и сам становится отрицательным. При этом элемент с низкой электроотрицательностью остается без своего электрона и становится положительном. Положительный и отрицательный заряды притягиваются и образуют весьма устойчивую связь, именуемую ионной, поскольку фактически притягиваются положительный ион Na

и отрицательный ион Cl

.

Ковалентная связь (основная химическая связь в органических соединениях) образуется при взаимодействии атомов, электроотрицательности которых отличаются незначительно. Такая связь возникает в результате обобществления валентных (находящихся на внешней оболочке) электронов, которые до образования связи принадлежали двум атомам. В процесс обобществления могут вовлекаться не только два, но и четыре, и шесть электронов. В результате образуется устойчивая электронная конфигурация инертного газа, например для воды.

Из рисунка 1.2.2 видно, что в такой конфигурации у кислорода имеется внешняя оболочка, заполненная до инертного газа неона (8 электронов), а у водорода – до инертного газа гелия (2 электрона). При этом образовавшаяся устойчивая конструкция несимметрична. Молекула воды представляет собой диполь: та часть молекулы, где находится водород, заряжена положительно, а часть, где находится кислород, – отрицательно.